建筑物防雷工程施工设计

浅谈建筑物防雷工程施工设计

摘要：本文将《建筑物防雷设计规范》作基础，对建筑物的直击雷防护进行分析，重点阐述了防护工程中的滚球防雷法，并提出了简单易行的工程施工设计方案。

关键词：建筑物；防雷；工程施工；避雷带；设计

雷击是一种严重的自然灾害，在我国过去，建筑物的防雷措施做得十分不完善，所以雷击所造成的损失严重。而且如今高层建筑不仅在结构工艺、消防安全上有更高的要求，在防雷设计上也给工程技术人员带来了新的挑战。因此为了大厦、人员、设备等的安全 ,在高层建筑防雷设计中 ,必须将外部防雷和内部防雷统一考虑 ,只有这样才能真正控制雷击事故。

下面通过介绍防雷工程的相关施工设计以及防护思路，为建筑防雷工程技术人员作参考。

1建筑应该设置水平避雷带

1.1滚球半径高度应该设置水平避雷带

gb50057第3.2.4条、第3.3.10条、第3.4.10条有关于防侧击的规定。这些要求都是针对滚球半径值高度以上的部分设计的，而滚球半径高度以下的部分的防雷措施，在整个gb50057中都没有规定。这事实上说明gb50057认为在这一高度下的部分应该全部处于接闪器保护范围之内的。滚球法保护范围的确定方法如图1所示，距地面hr处作一平行于地面的平行线；以针尖o为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的a、b两点；以a、b为圆心，hr为半径作

弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切，从此弧线起到地面止就是保护范围。

1.2防雷电侧击应该设置水平避雷带

建筑物防雷电侧击本质上还是属于直击雷防护范畴。前文提到只有一类防雷建筑要求设置水平避雷带，具体规定是从30m起每隔不大于6m进行设置。但二类、三类防雷建筑物却完全没有水平避雷带的相关规定，对于雷电侧击的防护，主要是要求滚球半径高度以上的外墙栏杆、门窗等较大金属物与防雷装置相连。这其实是一种被动防御的措施，即雷电如果击在这些栏杆、门窗上则可以通过相连的防雷装置泄流，但是栏杆、门窗本身并不是接闪器，不能按照滚球法将建筑外立面置于保护范围以内。考虑到即使小的雷电流同样可能破坏外立面建材造成高空坠物的二次伤害，因此二类、三类防雷建筑同样有必要通过设置水平避雷带防雷电侧击。

1.3水平避雷带不能被均压环替代

在实际的防雷工程中，水平避雷带和均压环往往被混淆成同一概念。这主要是因为在实际工程中水平避雷带和均压环有两个共同的特征：

(1）都是沿建筑物四周水平布设；

(2）都必须将所有引下线与其可靠连接。

但在本质功能上这两种防雷装置其实是有区别的。水平避雷带属于接闪器，它的作用很明确，就是为了直接截受雷击（防雷电侧击其实也是属于直击雷防护）。均压环的作用主要是均衡建筑物同

一高度上因雷击造成的电位差。对于很高的建筑物，由于引下线很长，雷电流的电感电压降将达到很大的数值，因此需要将各条引下线、建筑物的金属结构和金属设备连接到环上。

2灵活运用滚球法确定直击雷保护范围

gb50057附录四给出了七种运用滚球法计算保护范围的方法，其中用得比较多的是第一条至第六条。第七条最为特殊，防雷工程技术人员通常都未采用，其具体方法如图2。以a、b为圆心，hr为半径作弧线相交于o点；以o为圆心，hr为半径作弧线ab，弧线ab就是保护范围的上边线。

从滚球法第七条的规定我们可以看出这是一种基于两个接闪器a、b共同定位决定保护范围的方法。但采用此方法的前提条件是接闪器a、b必须是已经被置于保护范围之内（虚线外周线以内）的。

2.1两点法在防雷电侧击方面的应用

本文1.2中论述了水平避雷带在防雷电侧击方面的应用，一类防雷建筑的因每隔6m设置水平避雷带，雷电侧击的安全已有较大的保障；二类、三类防雷建筑水平避雷带间距可为滚球半径值hr，但雷电穿越接闪器发生绕击的概率还是较高。根据电气-几何模型i=(hr/10)1.54：对第二类防雷建筑物（hr＝45m），i＝10.1ka；对第三类防雷建筑物（hr＝60m），i＝15.8ka。因此雷电流小于上述数值时，雷闪有可能穿过接闪器击于被保护物上。高层、超高层建筑外立面越来越多的采用玻璃幕墙或外挂石材的形式。这些建材的

金属龙骨大都被玻璃或石材完全覆盖，金属龙骨部分都在建材里面，对于直击雷起不了保护作用，只是对于雷电感应或雷电电磁脉冲有一定的屏蔽作用。将水平避雷带的间距缩短本应是安全系数最高的防护手段，但是水平避雷带属于环状设置，支持卡每隔1m作固定，这会大大增加

施工难度，也会影响建筑外观。可以将水平避雷带与安装避雷短针相结合的方式，按照两点法计算保护范围，能够有效解决这一问题。

在《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（dl/t620-1997）中的雷电流概率分布公式lgp=-i/88，p为雷电流超过i的概率，1-p就应该是小于雷电流i的概率。以二类防雷建筑为例，其滚球半径对应的雷电流i=10.1ka，经计算可知二类防雷建筑的接闪器能够防御自然界中77.8%的雷电流，但仍有23.2%的雷电流有可能穿越接闪器。为了避免较小的雷电流击在建筑物的侧面，二类、三类防雷建筑避雷短针的滚球半径对应的雷电流应尽可能小。基于控制雷电侧击风险的需要，可以将小于雷电流i的概率1-p定为5%，计算可得雷电流i为1.96ka。将其代入电气-几何模型

i=(hr/10)1.54，其对应的滚球半径约为15.5m，工程上可取值为16m。如图3，ad、be、cf为安装与高层、超高层建筑外立面的避雷短针，hb、ga为建筑物对应防雷类别的滚球半径，de、ef为避雷短针的间距。避雷短针的间距取值为5m～8m，运用勾股定理可以算出避雷短针的长度。

笔者认为短针长度取值为0.3m，间距为6m，对于高度超过30m 的高层建筑特别是超高层建筑，不会对外观造成太大影响。避雷短针可从建筑物均压环、引下线等防雷装置引出，并应与幕墙、石材金属龙骨等立面较大金属物作等电位连接。因此在高层、超高层建筑外立面安装的避雷短针完全符合实际工程的需要，既可以最大限度的对建筑进行防雷保护、节省材料成本，又不会影响建筑外观。

2.2运用两点法对建筑物的特殊造型进行直击雷防护

随着社会经济的不断发展，现代的高层、超高层建筑外形不再只是简单的立方体，很多建筑屋顶逐层收缩，采取诸如宝塔形、圆锥体或几种不规则的几何形式的组合。有的超高层建筑顶部设有停机坪等特殊设施，不允许安装避雷针，这些都给建筑物的直击雷防护带来了新的挑战。借用两点法设置避雷短针防护雷电侧击的思路同样可以为这些特殊形式的建筑提供直击雷防护。

假定某二类防雷的超高层建筑，顶部造型为一梯形锥体结构，且顶部因特殊原因无法设立避雷针，如果单靠设置屋顶避雷带可能无法将整个锥体部分置于保护范围以内。

运用两点法则可以弥补避雷带保护范围不够的问题。由于是屋顶部分，不需要考虑小的雷电流穿越的问题，因此按二类防雷建筑接闪器的要求，滚球半径取值为45m，间距为10m。经计算，短针长度为0.279m，实际工程上同样可以取为0.3m。如图4所示，沿锥体斜表面设置避雷短针完全能将整个椎体斜面置于保护范围以